Motor térmico 01
(motor de elásticos)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Introdução

"Uma roda com raios de elástico gira quando está próxima de uma lâmpada incandescente"

No âmbito do ensino de ciências exatas a curiosidade deve ser despertada. É ela uma enorme motivação para que os princípios de física, química e biologia sejam absorvidos. Sob essa proposta, temos sempre procurado desenvolver projetos que estimulem a imaginação, fazendo da ciência uma aventura na qual os resultados excedam às expectativas, e não um mero aprendizado obrigatório. Esse motor elástico que apresentamos é mais que uma sugestão --- é um desafio!

Montagem
Os bastidores para bordados, muito conhecidos das costureiras, são dois aros de madeira dos quais um, encaixa direitinho dentro do outro, formando um aro único. As bordadeiras colocam o tecido esticado entre eles, formando algo parecido com um estreito tamborim. Eles são facilmente encontrados em lojas de armarinho.

Obtenha um par que tenha diâmetro externo aproximadamente 32 cm, figura 3a.

O puxador de gavetas (armários, guarda-roupas etc), pode ser de borracha ou de madeira (esférico), com diâmetro de uns 3,5 cm. Em lojas especializadas em marcenaria esses puxadores podem ser encontrados com facilidade (figura 3b).

Os ganchos devem ser bem pequenos (figura 3c). O suporte de latão (que servirá de mancal para nosso motor) pode ser confeccionado com uma lâmina de 1,5 mm de espessura, 1cm de largura e 40 cm de comprimento, dobrada e furada com broca de 3mm (figura 3d).

Um toco de madeira de (12x10x5)cm, bem lixado e envernizado servirá de base para o motor (figura 3e).

O soquete da lâmpada pode ser fixado diretamente na haste suporte (que também serve de mancal), mas cuide para que as partes metálicas do soquete não toquem a haste(figura 3j). Reserve uma lâmpada incandescente de 100W, bulbo transparente (figura 3f).

Inicie a montagem dividindo, geometricamente, o par de bastidores em 16 partes iguais (faça um furinho de 1mm em cada marca de divisão, bem no meio da largura dos bastidores). Rosqueie um gancho em cada um desses furinhos. O conjunto ficará como se ilustra na figura 3g.

Fure o puxador de borracha ou madeira pelo seu centro, de lado a lado (acompanhe o furo original de fábrica). Preencha esse centro do tarugo de madeira (se ficar muito largo) e espete o eixo de arame de diâmetro 2mm e comprimento 6 cm. À volta dessa esfera, dividida em 16 partes, faça furinhos de 1mm e atarraxe os ganchos, como se ilustra na figura 3h.

Prenda os elásticos nos ganchos do par de bastidores e da esfera central, em perfeita correspondência, conforme mostra a figura 3i.

A lâmina, já dobrada em forma de U, deverá ter 5 furos de 3mm: 2 para passar o eixo da roda, 2 para aparafusar na base de madeira e 1 para fixar o soquete da lâmpada, conforme figura 3j.

Finalmente, coloque a roda em seus mancais, rosqueie a lâmpada (atente para que a lâmpada fique a 1 ou 1,5 cm dos elásticos). Observe atentamente se a roda está bem equilibrada sem mostrar tendência de parar sempre no mesmo lugar. Se isso ocorrer aperte os elásticos do lado oposto passando uma volta sobre os ganchos.

Ligue o plugue do cordão de força na tomada da rede elétrica domiciliar (110V) e aprecie sua roda girar lentamente.
Eis as fotos de minha montagem (usei elásticos ´de punho´ amarelo, se bem que os de cor preta são mais eficientes; porém, mais difíceis de serem encontrados no comércio):

Como funciona?
O 'segredo' (um conotativo impróprio quando se trata de ciência) está numa propriedade química da borracha (um elastômero de cadeia longa) que constitui os raios da roda de nosso motor e nas forças que agem na roda (forças de origem elástica, seu peso e reação de apoio).

Quando se estica uma tira de borracha, rapidamente, ela esquenta. O trabalho das forças foi utilizado, parte na deformação da borracha e parte na variação de sua energia interna. A borracha é substância macromolecular, amorfa quando não tensionada, com grande número de ligações entre as moléculas. A entropia da substância decresce quando ela é esticada (como mostra a termodinâmica), e por isso sua elasticidade é de natureza cinética. Esse arranjo peculiar, a nível de molécula, dá à borracha um comportamento anômalo --- ela encolhe quando aquecida, aumentando com isso a sua constante elástica.

Isso significa na prática que, para sustentar um determinado peso, ela se deforma (estica) menos quando aquecida que quando fria. Ilustramos na figura [1], abaixo, uma experiência básica, para elucidar tudo isso.

 Prenda uma das extremidades de um elástico em um suporte e, na outra extremidade um porta-pesos com massa total de 300 g.

Anote a deformação do elástico na régua que defronta o ponteiro. A seguir, aproxime do elástico o bulbo de uma lâmpada incandescente (de 100 ou 150 W), acesa ou o jato quente de um secador de cabelo.

Repare que o ponteiro que indica a deformação sobe, deixando patente que, para equilibrar um peso quando quente, a deformação da tira de borracha é menor --- a constante elástica da borracha aumenta com o aquecimento.

Se as duas extremidades da tira de borracha estiverem presas, impedindo-a de encolher, as forças de tração nos apoios aumentam, durante o aquecimento da tira. Isso é que permite explicar a rotação da roda.

Vejamos: com todos os elásticos à mesma temperatura (a ambiente), as forças no aro da roda são radiais, centrípetas e todas de mesma intensidade. Essa distribuição de forças no aro tem resultante nula e momento resultante nulo, em relação ao eixo.

Desse modo, com a roda bem balanceada, o centro de gravidade da roda (CG), ponto de aplicação de seu peso, coincide com o centro de suspensão; o momento do peso em relação ao eixo é nulo e a roda não pode girar, conforme mostra a figura [2](a).

Como a lâmpada aquece apenas um, dois ou três "raios" mais intensamente, a tendência deles é encolher. Como estão presos pelas extremidades, as forças de tração no aro aumentam.

Isso faz com que esse arco do aro se aproxime mais do centro, o que traz, como conseqüência, um deslocamento do centro de gravidade da roda para o lado oposto, em relação ao eixo. Nessa nova situação, indicada na figura [2](b), o momento do peso da roda (torque) em relação ao eixo deixa de ser nulo (agora há braço de alavanca), a roda gira tendendo a levar o centro de gravidade abaixo do centro de suspensão.

Assim, com essa pequena rotação, novos elásticos defrontarão a lâmpada, enquanto os anteriores esfriam ... e tudo reinicia.

Como a roda tem poucos raios (só 16 elásticos, nesse modelo didático), podem ocorrer momentos em que o movimento cessa, para logo em seguida reiniciar.